Исаак Ньютон и триумф механики
Родился 5 января 1643 г. по новому календарю в Вулсторпе, а умер 31 марта в 1727 г. в Лондоне. Его родители были небогатыми фермерами. Учился в сельской школе, а затем в ближайшем городе, откуда овдовевшая мать возвращает Исаака в деревню для помощи в хозяйстве. Но Ньютон увлекается книгами по математике и др. наукам. В 1661 г. Ньютон поступает в Кембриджский университет, несмотря на материальные трудности. Присущая ему расчетливость проявилась уже тогда. Был оставлен при университете, а в 1669 г. занял кафедру.
Это было время буржуазной революции в Англии, время казни короля, диктатуры Кромвеля, реставрации Стюартов и их свержения. Буржуазия выступила в союзе с новым дворянством с лозунгами, направленными против католицизма и близкой к нему англиканской церкви, за протестантское движение кальвинизма, который считал удачливого буржуа - избранником божьим.
Первыми научными трудами Ньютона были исследования по оптике. Но опубликованы вначале были труды по механике. Вероятно, это было связано с влиянием критики Роберта Гука (1635-1703), который исследования по оптике начал раньше Ньютона. Плодотворным оказался период пребывания Ньютона в сельской местности (Вулсторп) во время чумы 1665-1666 гг., когда он разработал метод флюксий, теорию цветов, основные идеи закона всемирного тяготения (обратная пропорциональность силы тяготения квадрату расстояния). Возможно, что занятия оптикой и помогли Ньютону увидеть эту зависимость, которая там уже была известна. В 1687 г. выходит главное сочинение Ньютона “Математические начала натуральной философии”.
По поводу открытого им закона всемирного тяготения Ньютон писал: “Причину этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю”. Этим он противопоставляет “физике гипотез” Декарта “физику принципов”. Но принципы есть по существу произвольное обобщение опытных фактов. Как в таком случае отличить их от гипотез? В связи с разразившимся спором относительно приоритета в открытии закона обратной пропорциональности силы тяготения квадрату расстояния Ньютон в этом главном труде своей жизни делает примечание о том, что подобная зависимость была известна до него Рену, Гуку и Галлею.
У Ньютона законы движения планет Кеплера приобретают впервые не только кинематическое, но и динамическое обоснование, т.е. позволяют отвечать не только на вопрос "как", но и "почему" происходит движение. Пространство и время он считал абсолютными, а действие одного тела на другое передающимся мгновенно через пустое пространство (дальнодействие, в отличие от передачи через среду - близкодействия Декарта).
Свет Ньютон считал потоком корпускул, однако в 1675 г. пытался создать и смешанную корпускулярно-волновую теорию света. А. Эйнштейн писал, что Ньютон "...оказал своими трудами глубокое и сильное влияние на все мировоззрение в целом", имея в виду в первую очередь его труды по механике.
И. Ньютон долго не публиковал свои труды. В область его научных интересов входила также химия и алхимия. Выступал как протестант, противник католицизма. Пытался согласовать науку с религией. Пережил значительное нервное истощение, кризис, от которого так и не оправился полностью до конца жизни (1692-1694). С этого времени он уже не работает активно в науке, а издает написанное ранее. Порядок мира, установленный И. Ньютоном, обнаруживает, как он считал, намерение премудрого и могущественного Существа, но никто не знает, что такое сущность вещи, а тем более сущность Бога.
В 1695 г. Ньютон назначается смотрителем, а затем и директором (1699) Монетного двора. Переезжает в Лондон, где и остается до конца жизни. В 1703 г. избирается президентом Королевского общества. В 1705 г. за успехи в науке ему пожаловано дворянское звание.
Английский поэт Поп писал:
Природы строй, ее закон
В извечной мгле таился,
И бог сказал: “явись, Ньютон”.
И всюду свет разлился.
Говоря об эпохе научной революции, Энгельс писал: “Коперник в начале рассматриваемого нами периода дает отставку теологии. Ньютон завершает этот период постулатом божественного первого толчка” (так называемый деизм, согласно которому бог создал мир, дал ему законы, а затем перестал вмешиваться в дела своего создания).
Вводит понятие массы как количества материи. У него возникает идея о тождестве силы тяжести и силы тяготения. Вводит понятие “силы” как действия, производимого над телом для изменения его состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. К понятию силы он подходит математически, а не физически, не вдаваясь в особенности ее происхождения. Ньютон признавал абсолютное пространство, которое заполнено богом, его “чувствилище”.
Сформулировав известные теперь законы механики, сузил понятие механики, по сравнению с Декартом, но сделал его более определенным: нахождение движения по известным силам и сил по движениям. Тяготение он полагал нематериальным агентом (поле!).
В теории познания следовал Ф. Бэкону, т.е. был индуктивистом. Избегал философских споров, что, по-видимому, было связано с его практицизмом как в науке, так и в жизни (психологический тип “Джек Лондон”).
Споры такого рода были в то время опасны. В его эпоху физика отделилась от натурфилософии. Труды по оптике вышли из печати в основном в 1704 г.
Оптика в 17-18 веках
Оптика в 17 в. располагала рядом приборов: линзы, плоские, выпуклые и вогнутые зеркала, камера-обскура. Закон преломления света в то время был уже известен. Он был открыт Снеллиусом (нидерландский астроном и математик, 1580-1626), но не опубликован и затем переоткрыт Декартом, опубликовавшим его в 1637 г. Ньютон открыл дисперсию света. Интерференция была открыта Гримальди (1618-63). Интерференция в тонких пластинах изучалась Р. ГукОм (1635-1703) и И.Ньютоном. Двойное лучепреломление в исландском шпате было открыто Бартолино, объяснено ГюйгенсОм (1629-95). Скорость света определил впервые Ремер, датский астроном (1644-1710) в 70-х гг. До этого не было известно, обладает ли свет конечной скоростью. По Рёмеру, скорость света составляет 300870 км/с. Определена по движению спутников Юпитера. Фантастические представления о природе света в 17 в. сменились двумя: 1)свет - это движение, передающееся от источника особой средой, 2)особая субстанция. Отсюда волновая и корпускулярная теории света. Галилей придерживался корпускулярной теории. Основателем волновой теории был Р. Декарт. Гук тоже придерживался волновой теории.
В “Трактате о свете” Христиан Гюйгенс в 1690 г. (написан в 70-е гг.) полагал, что свет распространяется в тонкой среде - эфире, состоящем из мельчайших упругих шариков: “вокруг каждой частицы должна образовываться волна, центром которой она является”. Периодичность световых волн в принципе Гюйгенса отсутствовала. Ньютон писал: “Мы видим, что причина цветов находится не в телах, а в свете, поэтому у нас имеется полное основание считать свет субстанцией”.
В заключение скажем, что естественнонаучные представления Ньютона, завершившего своей физической (механической) картиной мира эпоху научной революции, были последовательным выражением аксиоматических взглядов на природу. Неизменная солнечная система, недоступное чувствам абсолютное пространство и время, косная материя, обладающая инерцией, индуктивный метод, отказ от гипотез (правда, мнимый: С.И. Вавилов считал Ньютона блестящим мастером гипотез).
Взгляды Ньютона значительно легче уживаются с религией, чем Декарта. От теологических элементов взгляды Ньютона были очищены французскими просветителями, после чего их признали французы.
Восемнадцатый век
Не смейтесь надо мной деленьем шкал
Естествоиспытателей приборы!
Я, как ключи к замку, вас подбирал,
Но у природы крепкие затворы.
Гете. Фауст. Пер Б.Пастернака
Промышленное развитие
18 век характеризуется переходом к машинному производству. Во второй половине 18 в. в Англии происходит промышленная революция. Возникает фабрично-заводская система и механизация, особенно в легкой промышленности. Уже с конца 17 в. пытаются применить паровую машину для откачки воды из шахт. Для этого используют машины Севери (1650 – 1715) и Ньюкомена (1663-1729). Первая паровая машина непрерывного действия была сконструирована Иваном Ивановичем Ползуновым(1728-1766). В ней предусматривалось автоматическое регулирование впуска и выпуска пара. Испытана была уже после смерти изобретателя. Практического применения не получила из-за аварии.
Решающий шаг в этом направлении был сделан Джеймсом Уаттом (1736-1819). Совершенствуя машину Ньюкомена, Уатт изобрел паровую машину непрерывного действия и запатентовал ее в 1784 г. В ней пар запускался попеременно то с одной, то с другой стороны по отношению к поршню. Машина получила широкое распространение. Отсюда - Ватт!
Англия - передовая в техническом отношении страна - была глубоко религиозна. Это создало благоприятные условия для развития идеализма в философии. Наиболее видные представители этого направления: Джордж Беркли (1684-1753) и один из родоначальников субъективного идеализма и основоположник агностицизма Дэвид Юм (1711-1776). Однако в то время идеалистические философские системы почти не повлияли на развитие физики, ибо отрицание материи и причинности не было воспринято. Влияние идеализма проявилось позже.
Иное дело - Франция, в которой развивался материализм просветителей (Вольтера и Руссо) и материалистов (Ламетри. Гольбаха, Дидро). Это оказало положительное влияние на развитие науки во Франции, которая материалистически переработала учение Ньютона.
Германия оставалась раздробленной. В середине 18 в. там пользовалась влиянием философия Христиана Вольфа (1679-1754), который, по словам Г. Гейне, был более энциклопедической, чем систематической головой. Он примирял противоречия и науку с религией. Был учителем М.В. Ломоносова в Марбурге. Во второй половине 18 в. появляются философские труды Иммануила Канта (1724-1804). “Всеобщая естественная история и теория неба” - одна из его первых работ, где Кант разработал космогоническую гипотезу, повлиявшую на дальнейшее развитие астрономии.
Развитие науки в 18 в. определяла практика. Особенно быстро развивалась механика трудами Эйлера, Лагранжа, Даламбера, создавшими аналитическую механику. Оптика тоже развивалась, но медленнее. Общая картина мира в то время еще не строилась: сильно было влияние Ньютона. Продолжалась полемика вокруг природы тяготения. Картезианские вихри и “тонкие жидкости” не исчезли из поля зрения.
Во введении к “Началам” Ньютон завещал: “...было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы...”. Поскольку известны были разные силы: тяготения, магнитные, электрические, химические, их стали объяснять невесомыми жидкостями, материями. Такова особенность развития ньютонианства в 18 в. Эта концепция господствовала до середины 19 в. Значительная часть физиков довольствовалась простой констатацией фактов, суждение об их сущности считалось вредным. Однако представление о материальном единстве мира Декарта в ньютоновской физике исчезло - появилась множественность сил, “невесомых” материй.